一文解析單片機晶振腳的原理

晶振是重要元器件之一，對于晶振，小編于往期晶振相關(guān)文章中有過諸多闡述。本文中，小編將對單片機晶振腳的原理加以解析，以幫助大家更好理解晶振。

晶振電路需要2個10-30pF級別的電容作為起振用途，10-30pF具體的值根據(jù)不同的晶振頻率不同的單片機而有所不同，作用都是使晶振起振，如果去掉這2個電容，晶振很可能就不會起振或者有頻率偏差，單片機就不會工作或失真。

也有串并連電阻的案例，正常我們不需要那么做，官方的Demo里也是沒有的

XTAL1和XTAL2指的是8051系單片機上常見的用于接“晶振”（晶體諧振器-Crystal Resonator”）的兩個引腳。從原理上來說，這兩個引腳和MCU內(nèi)部一個反相器相連接。這個反相器與外部的“晶振”組成一個構(gòu)成一個皮爾斯振蕩器（Pierce oscillator）。因為這個振蕩器集成在器件內(nèi)部的組件實在是不能更簡單啦，就一個反相器和一個電阻，非常合適于各種數(shù)字IC的設(shè)計制造流程。

原理：

XTAL1和XTAL2分別是一個反相器的輸入和輸出。NMOS的反相器是所謂的E-D結(jié)構(gòu)的電路（一個增強型MOS提供邏輯，一個耗盡型MOS提供上拉），在模擬應(yīng)用的情形下，從XTAL1提供外部時鐘是不好的（反饋網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生不期望的副作用），而把XTAL1接地，直接從XTAL2驅(qū)動內(nèi)部電路并不需要額外的驅(qū)動能力。

CMOS反相器接成振蕩電路，可以使用大得多的反饋電阻，直接驅(qū)動XTAL1不會有問題，且不允許另外的驅(qū)動源連接到XTAL2，故從XTAL1提供外部時鐘。

一份電路在其輸出端串接了一個22K的電阻，在其輸出端和輸入端之間接了一個10M的電阻，這是由于連接晶振的芯片端內(nèi)部是一個線性運算放大器，將輸入進行反向180度輸出，晶振處的負載電容電阻組成的網(wǎng)絡(luò)提供另外180度的相移，整個環(huán)路的相移360度，滿足振蕩的相位條件，同時還要求閉環(huán)增益大于等于1，晶體才正常工作。

晶振輸入輸出連接的電阻作用是產(chǎn)生負反饋，保證放大器工作在高增益的線性區(qū)，一般在M歐級，輸出端的電阻與負載電容組成網(wǎng)絡(luò)，提供180度相移，同時起到限流的作用，防止反向器輸出對晶振過驅(qū)動，損壞晶振。

和晶振串聯(lián)的電阻常用來預(yù)防晶振被過分驅(qū)動。晶振過分驅(qū)動的后果是將逐漸損耗減少晶振的接觸電鍍，這將引起頻率的上升，并導(dǎo)致晶振的早期失效，又可以講drive level調(diào)整用。用來調(diào)整drive level和發(fā)振余裕度。

Xin和Xout的內(nèi)部一般是一個施密特反相器，反相器是不能驅(qū)動晶體震蕩的。因此，在反相器的兩端并聯(lián)一個電阻，由電阻完成將輸出的信號反向 180度反饋到輸入端形成負反饋，構(gòu)成負反饋放大電路。晶體并在電阻上，電阻與晶體的等效阻抗是并聯(lián)關(guān)系，自己想一下是電阻大還是電阻小對晶體的阻抗影響小大？

電阻的作用是將電路內(nèi)部的反向器加一個反饋回路，形成放大器，當晶體并在其中會使反饋回路的交流等效按照晶體頻率諧振，由于晶體的Q值非常高，因此電阻在很大的范圍變化都不會影響輸出頻率。過去，曾經(jīng)試驗此電路的穩(wěn)定性時，試過從100K～20M都可以正常啟振，但會影響脈寬比的。

晶體的Q值非常高， Q值是什么意思呢？ 晶體的串聯(lián)等效阻抗是 Ze = Re + jXe， Re《《 |jXe|， 晶體一般等效于一個Q很高很高的電感，相當于電感的導(dǎo)線電阻很小很小。Q一般達到10^-4量級。

避免信號太強打壞晶體的。電阻一般比較大，一般是幾百K。串進去的電阻是用來限制振蕩幅度的，并進去的兩顆電容根據(jù)LZ的晶振為幾十MHZ一般是在20~30P左右，主要用與微調(diào)頻率和波形，并影響幅度，并進去的電阻就要看 IC spec了，有的是用來反饋的，有的是為過EMI的對策。可是轉(zhuǎn)化為并聯(lián)等效阻抗后，Re越小，Rp就越大，這是有現(xiàn)成的公式的。晶體的等效Rp很大很大。外面并的電阻是并到這個Rp上的，于是，降低了Rp值 -----》增大了Re -----》 降低了Q。精確的分析還可以知道，對頻率也會有很小很小的影響。

對電路中的一顆“晶振”來說，石英晶體本身具有壓電效應(yīng)，對石英晶體進行適當處理后可以得到一種壓電諧振器件，這就是常見的石英晶體諧振器（以下簡稱QCR）。對QCR的物理特性進行分析，可以發(fā)現(xiàn)QCR的壓電諧振過程可以用以下的理想電路模型近乎完美地表示出來。

右圖的電路模型中，L1-C1-R1組成了一個RLC串聯(lián)諧振電路，再加上一個實際很小的C0，整個QCR電路模型有兩個很接近的諧振點。QCR在電路中與反相器并聯(lián)，充當?shù)氖且粋€右圖的電路模型中，L1-C1-R1組成了一個RLC串聯(lián)諧振電路，再加上一個實際很小的C0，整個QCR電路模型有兩個很接近的諧振點。QCR在電路中與反相器并聯(lián)，充當?shù)氖且粋€選頻網(wǎng)絡(luò)的作用。整個振蕩電路在上電時可以看作是反相器的輸出端打進去了一個階躍信號，QCR把階躍中諧振點頻率的信號挑出來，其他沒用的踢掉，在環(huán)路增益為1的情況下整個電路趨于穩(wěn)態(tài)平衡。

模電的知識告訴我們，在QCR // inverter的組合下，這個皮爾斯振蕩器已經(jīng)具備了一個理想的振蕩電路中的兩大網(wǎng)絡(luò)（選頻+放大）。貌似振蕩器中的R1和C1//C2沒有什么卵用啊。且慢，這個R1和C1//C2，正是這個電路中最美妙的地方。

總結(jié)并聯(lián)電阻的四大作用：

1、配合IC內(nèi)部電路組成負反饋、移相，使放大器工作在線性區(qū);

2、限流防止諧振器被過驅(qū);

3、并聯(lián)降低諧振阻抗，使諧振器易啟動;

4、電阻取值影響波形的脈寬。

來源：中電網(wǎng) ? 作者：中電網(wǎng)